投切电抗器/电容器用断路器剩余电寿命预警系统

2018-01-12王硕君陈义龙麦荣焕崔佩仪

电气自动化 2017年5期

王硕君，陈义龙，麦荣焕，崔佩仪

(1.广东电网有限责任公司江门供电局，广东江门 529000；2.广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东广州 510080；3.广州华工弈高科技有限公司，广东广州 510640)

0 引言

断路器是电力系统控制保护的重要执行机构，在保障电力系统安全、可靠、经济运行发挥了重要作用。由于投切变电站电抗器、电容器的断路器，处于投切频繁、重燃和过电压等严酷运行工况，极易超出断路器寿命造成重击穿，降低无功补偿设备的绝缘性能，甚至破坏电力系统稳定运行诱发大面积停电。断路器寿命包括：储存寿命、机械寿命和电寿命。储存寿命以时间年为单位，按等级划分为15年或20年；机械寿命以机械操作次数统计，可高达数千到上万次；电寿命按电流开断次数计算，与开断电流大小有关，其额定短路开断电流次数仅十几次。因此，断路器寿命是机械寿命和电寿命的较短者。根据断路器维护经验，电寿命较机械寿命短。综上，有必要监测投切电抗器、电容器用断路器寿命，其寿命评价的难点体现在电寿命监测。

行业标准DL/T 402-2007《高压交流断路器订货技术条件》指出“用于电容器组投切的断路器，操作频繁，必须进行电容器组开合电流的电寿命试验。试验方法正在考虑中”。试验方法长期没有确定的重要原因是电寿命监测手段和试验研究的缺失。

在断路器电寿命状态监测方面，先后经历了开断电流累积法[1]、开断电流加权累积法[2]和电弧能量加权累积法[3]。开断电流累积法认为电寿命是开断电流与次数的乘积和，对比试验分析得累积开断电流和相等的情况下不同开断电流的灭弧室烧损情况差异极大。开断电流累积加权法在开断电流加权累积法基础上，考虑了开断电流的权重能拟合工程实践结果，且操作性强，被断路器生产厂家、电网公司广泛接受[4]。基于开断电流加权累积法出现了一批断路器电寿命在线监测系统[5]，有效推动了断路器在线监测与状态评价技术的发展。但是，开断电流加权累积法的权重并未计及燃弧时间，而燃弧时间是电寿命重要影响因素，与开断相位、直流分量有关。电弧能量加权累积法分别量化三相触头电磨损情况，对单次开断电流作燃弧时间积分，可精确获得断路器电寿命。文献[6]通过理论分析开断电流加权累积法和电弧能量加权累积法差异，所获电寿命误差高达15%。燃弧能量加权累积法应用的难点体现在燃弧时间测量的装置及算法上。

在断路器电寿命仿真和试验方面，文献[7]建立了基于扩散型真空电弧开断的真空断路器黑盒模型，结果表明：电弧能量法进行评估时最苛刻，转移电荷法次之，电流有效值法最轻。文献[8]分析了专用断路器运行工况，进行了电寿命试验回路参数的计算、仿真、建设、调试，并完成了3个不同型号产品的电寿命试验，最后指出进行断路器电寿命试验的必要性。

为此，在研究断路器开断过程和电弧能量累积加权法的基础上，研究断路器剩余电寿命预警系统拓扑结构，深入讨论了采集单元的硬件原理和工作逻辑、合并单元通信方式、上位机软件功能和系统运行流程。研发了投切电抗器/电容器用断路器剩余电寿命预警系统，并部署在某110 kV变电站，不仅能记录断路器开断电流的波形，还能根据剩余电寿命阈值发出告警提示，预测剩余电寿命发展趋势，为断路器管理维护提供辅助决策。

1 断路器开断过程

高压断路器靠动作元件确保顺利完成关合、承载和开断正常负荷电流和故障电流，动作元件包括灭弧室和触头。开断电流操作需要使触头运动，其动力来自于断路器的操动机构。断路器在开断短路电流时产生强电弧，电弧的高温作用会使触头表面烧损、变形，局部熔化气化使触头金属材料流失，造成触头磨损增加，最终降低断路器的电寿命。

开断电流时，断路器触头从一个位置运动到另一个位置，如图1所示。同时系统经历复杂的暂态过程。

图1 断路器开断过程

从图1可见：(1)断路器三相触头分断并非同步，首开相燃弧时间最长；(2)开断电流与当前工况有关，三相工况差异导致开断电流各不相同。因此，监测断路器电寿命须获得三相开断电流在燃弧时间内的波形，其中开断电流包括周期分量和直流分量。

2 电弧能量加权累积法

断路器触头电磨损的原因是持续大电流使触头表面温度上升造成磨损，其本质需要能量，能量通过电流发热作功产生。

电弧能量造成断路器触头磨损量可量化为：

(1)

式中Wgi和Ti分别为第i次开断的电磨损量和燃弧时间；n为开断次数；K为常数，与断路器型号有关，涉及灭弧介质、冷却条件、触头运动速度及材料等影响因素；α为加权系数，一般取1.5～2.0，可由电寿命曲线得到。若已知触头允许总磨损量为Wt，K即为电流加权累积法所获电磨损量与电弧能量加权累积法的比值。燃弧时间决定了电寿命评估的准确度。剩余电寿命Wl为

Wl=Wt-W

(2)

断路器开断过程中，流经断路器的暂态电流变化剧烈，显著区别于开断前的波形，可采用小波变换理论分析分合闸线圈电流：基于波形辨识技术[9]监测波形奇异点位置作为起弧时刻，其与电弧熄灭时刻差值即为燃弧时间。燃弧过程中，暂态电流叠加了交流周期分量和直流分量，对信号采样频率提出了很高的要求。当采样频率足够大，可认为相邻采样点间电流变化是线性的，某次开断产生的电磨损为：

(3)

(4)

式中T为燃弧时间，N为采样点数量，i(k)为第k个时间点的采样电流。

3 剩余电寿命预警系统

3.1 系统拓扑结构

投切电抗器/电容器用断路器剩余电寿命预警系统结构分为3层结构：数据采集层、信息传输层和诊断展示层，如图2所示。数据采集层在断路器处安装罗氏线圈和积分器构成光电互感器，采集单元实时采集断路器三相开断电流，电光转换后输出光信号；信息传输层将光纤传输的多路信息汇集到合并单元；诊断展示层则是以预警系统为中心，基于电弧能量加权累积法分析断路器电寿命，预警发布剩余电寿命。

图2 系统结构示意图

3.2 采集单元

采集单元主要实现3种功能：(1)对采集的电信号进行滤波、积分、模数转换并存储；(2)监控断路器分合闸辅助触点，判断断路器开、合信息，以此时间点确定捕捉开、合瞬时电流值并进行录波；(3)对输出信号作光电转换，避免电磁干扰的影响。采集单元原理图如图3所示。

图3 采集单元硬件结构图

由于普通电流互感器基于电磁感应原理，动态性能差、测量范围小。在断路器开断过程中，暂态大电流导致铁芯磁饱和现象所得量测线性度和SCADA系统提供数据刷新频率均无法满足测量断路器开断电流的要求。为此，在断路器出口安装罗氏线圈和积分器构成光电互感器，具有线性度好、绝缘结构简单、测量范围大、通频带宽大和暂态响应能力强等特点。

光电互感器输出的A、B、C三相积分信号经过特定电阻形成电压信号回传，进入系统采集单元进行独立处理。选用时钟频率高的主控芯片，满足开断电流采样频率的要求。光电互感器所获电气信号与ARM芯片所求信号范围不匹配，需进一步设置信号转换电路。

图4 采集单元运行逻辑

信号存储分为EPROM及SPI两种方式。由于断路器开断电流持续时间极短，选择SPI存储芯片满足开断电流采样数据频率高的要求，同时考虑系统可靠性采用I2C总线存储于EPROM用于正常信息通讯并接收SPI芯片内断路器开断、关合瞬时数据存取，并采用RS485或RS232两种通讯模式。

采集单元工作运行逻辑如图4所示。

3.3 合并单元

合并单元通过多路通道接收光纤传输的电流光信号，再将信号通过RS485/RS232传输到数据服务器。合并单元解码电路CPU负责光信号的接收和解析，主板负责信号同步和逻辑处理。

3.4 上位工控机

上位工控机是整套监测系统数据处理和存储中心，不仅实现人机交互，还实现断路器电寿命分析、预警和预测。安装在上位工控机的软件系统显示断路器实时电流，通过断路器辅助触点触发存储断路器燃弧期间开断电流，再对信息进一步识别处理，基于电弧能量加权累积法评估断路器剩余电寿命，更新储存在数据库中，剩余电寿命过低时发出预警信号，并完成各种方式查询和预测功能。系统具体功能包括：

(1)实时监测功能：对断路器开断电流次数和电流数值等重要参数进行长期连续的实时监测。

(2)智能判断功能：根据断路器开断电流，综合考虑该断路器的电寿命曲线、机械特性曲线、故障性质等因素，采用电弧能量加权累积法，能客观评估断路器实际的剩余寿命。

(3)软件预警功能：系统软件根据剩余寿命比例进行提示和报警，剩余寿命不及50%进行提示，剩余寿命不及20%进行报警。

(4)历史存储查询功能：可对断路器故障开断电流的历史数据及波形进行Web查询，并可根据需要设定查询的范围。

(5)初始数据维护功能：系统所监测断路器可根据实际情况进行增减，可人工设定断路器的型号、额定开断电流值、额定开断次数、初始寿命等基础数据。

(5)预测分析功能：根据断路器电寿命评估值以及过去一年电寿命变化情况，预测未来一年剩余电寿命发展趋势，并综合电网检修试验计划，为断路器管理维护提供辅助决策。